水平井分段压裂投球滑套球座冲蚀分析

水平井早已成为提高油田勘探开发综合效益的重要途径,为了更好地提高油田采收率或对低渗透油气藏的水平井进行增产改造,就必须采用一些增产技术。水平井分段压裂技术是水平井增产的重要技术,流体携砂冲蚀是水平井分段压裂中工具失效的主要原因之一。为此采用计算流体力学(CFD)方法建立了流体携砂冲蚀的流固耦合模型。通过计算确定滑套球座冲蚀的主要区域,并通过改变压力、砂流量和球座锥面角度进行再计算,总结出影响冲蚀效果的规律。分析结果对整个投球滑套的设计具有指导作用。     

裸眼分段压裂投球式滑套球座关键技术研究

投球式滑套为裸眼分段压裂管柱中建立压裂级数和压裂过流通道的关键部件,但目前国内尚未开展滑套球座与其匹配的憋压球的密封能力、滑套球座的可钻性与耐冲蚀性方面的研究。通过滑套球座的结构设计、憋压球的材料优选及球座与憋压球密封能力的有限元分析与试验,研究了滑套球座与憋压球之间的密封技术;通过滑套球座材料优选和相关试验,研究了滑套球座的可钻性;通过滑套球座表面硬化处理探讨及冲蚀和密封试验,研究了其耐冲蚀性能。8井次共72段的现场试验表明,滑套设计合理,性能可靠,解决了投球式滑套高承压密封及完井管柱的全通径问题。      

分段压裂球座材料及流道优化研究

鉴于压裂滑套球座在水平井裸眼分段压裂工艺中的重要性,从化学成分、金相组织及性能等方面优选了具有可钻性强、满足工艺要求的QT5-A型球墨铸铁球座材料,提出了一种锥面锥段+球面密封的复合球座流道结构。通过数值分析的方法分析了球面密封结构与锥面锥角对球座耐冲蚀性能的影响。分析结果表明,无论有无球面密封,密封面的冲蚀都不可能避免;对于球面密封球座结构虽然后半部分局部冲蚀严重,但由于前半部分避开了砂粒的冲击导致冲蚀速率极低,从而保障了整体密封效果。因此,具有球面密封结构的压裂球座流道结构具有更高的耐冲蚀性能。最后建议不进行表面强化处理时球座优化的流道结构采用22°锥角+球面密封结构,22°或30°锥角时都可以通过表面处理来提高球弧密封面的抗冲蚀性。     

全通径滑套分段压裂工具耐冲蚀性能试验研究

结合全通径分段压裂滑套工具现场使用工况,设计了一套适用于大排量、高砂比、长时间冲蚀模拟试验装置以及性能验证装置,试验时平均排量4.5~6.0 m3/min,含砂体积分数20%~30%,有效冲蚀时间达到24 h,充分模拟了全通径分段压裂滑套和开关工具的耐冲蚀性能,并深入分析了工具各项性能指标。试验结果表明,滑套孔眼中轴向冲蚀较周向冲蚀更为严重;开关工具经冲蚀后液缸边角位置发生一定的冲蚀磨损,经联机及密封测试后,滑套密封压力仍稳定在70 MPa,开关工具锁块仍能顺利伸缩,并成功多次打开、关闭滑套。全通径滑套分段压裂工具经长时间、大排量、高砂比冲蚀后,工具性能均能满足使用要求。     

基于ANSYS-CFD的滑套球座冲蚀分析

在水平井裸眼完井分段压裂技术工艺管柱中,投球开启自锁滑套的作用是分层控制开关,通过投球实现准确的分段开启,其安全可靠性能决定了分段压裂工艺的成败,关系到水平井压裂改造开发效果的好坏。研究了压力、砂流量、球座锥度对冲蚀的影响,给出了球座最佳的结构设计数据。     

几种投球滑套球座材料的冲蚀性能试验研究

水力喷砂压裂会对投球滑套球座造成很严重的冲蚀磨损,从而导致坐封失效。为此,对35CrMo、42CrMo、45#、球墨铸铁和WC球座材料的冲蚀磨损进行试验研究,得到如下结论:塑性材料的冲蚀率随冲蚀角的变化规律相同,均在30°附近呈现最大值; WC涂层冲蚀率随冲蚀角的增大而增大,在冲蚀角90°时出现最大值,当砂浆质量分数较小时,冲蚀率随砂浆质量分数的增大而增大,在15%附近达到峰值,但当质量分数继续增大时,材料的冲蚀率趋于稳定;在同等试验条件和小冲蚀角情况下,5种球座材料试样的冲蚀率从大到小依次为球墨铸铁、45#、35CrMo、42CrMo、WC,可将WC通过热喷涂工艺喷涂到球墨铸铁表面形成涂层来提高其抗冲蚀性;当冲蚀角小于45°时,45#材料表面的冲蚀破坏形态主要以犁沟为主,当冲蚀角大于45°时,冲蚀破坏形态主要以塑性变形为主;当冲蚀角较小时,WC材料的抗冲蚀性优异,材料表面存在细而浅的犁沟,当冲蚀角变大时,凹坑的数量、面积和深度也变大。研究结果对于压裂作业的正常进行具有重要意义。     

压裂液对水平井滑套球座冲蚀磨损的数值模拟

针对水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术在施工过程中出现压裂携砂液对滑套球座冲蚀磨损的问题,采用欧拉多相流理论和Finnie微切削理论,建立压裂液对滑套球座冲蚀的液固两相双流体数学模型,结合实际工程模拟不同砂比、粒径、排量等因素对球座冲蚀磨损速率的影响,并进行失效分析和现场应用。分析结果表明,压裂携砂液冲蚀球座最严重的部位发生在滑套前端锥面;施工排量对球座冲蚀磨损的影响最大,且磨损速率与排量成指数关系;粒径次之,冲蚀磨损速率随支撑剂直径的增大而减小;砂比对球座冲蚀磨损的影响最小。该球座冲蚀磨损规律为非常规油藏水平井分段压裂施工方案的优化提供了理论依据。     

投球滑套双锥度球座的冲蚀磨损优化研究

水平井裸眼完井分段压裂技术是现阶段提高低渗透油藏产能的主要技术,其技术难点在于分段压裂工具的密封可靠性,其中投球滑套的密封性能在很大程度上直接决定分段压裂的成败,导致投球滑套密封失效的主要原因则是流体携砂冲蚀。依据投球滑套球座的实际工况,在常规单锥度球座的基础上提出双锥度球座,并借助Fluent流体软件实现对双锥度球座的结构优化,优化后的球座二锥度应介于70°~80°之间。双锥度球座解决了由于球座冲蚀磨损造成的投球滑套密封失效问题,保证了水平井裸眼完井分段压裂的可靠性。     

可反复开关滑套分段压裂工具的研制与应用

为解决常规水平井多级滑套裸眼分段压裂技术存在的后续储层改造困难的难题,开展了可反复开关滑套分段压裂工具技术研究。研究开发了投球式开关滑套、压差式开关滑套及配套机械开关工具,重点进行了滑套锁紧限位技术、球座快速钻除技术和工具耐冲蚀技术等关键技术研究。地面试验结果表明,可反复开关滑套结构设计合理,可以顺利实现打开及关闭功能。可反复开关滑套分段压裂工具在东胜气田进行了2口井的现场应用,滑套打开显示明显,进一步验证了该工艺的可行性和工具的安全可靠性。     

石墨烯增强铝基可溶球座研制与性能评价

为了解决水平井多级投球滑套球座在钻除过程中存在的钻除效率低、钻除不彻底影响作业工具重入等问题,研制了石墨烯增强铝基复合材料用于制备滑套可溶球座。利用石墨烯及碳化硅陶瓷颗粒增强铝合金,结合粉末冶金方法,制备得到石墨烯增强铝基复合材料,其具有高强度、高硬度和在盐水环境下实现自行快速溶解等特点,屈服强度达469 MPa,表面硬度达170 HBW。采用石墨烯增强铝基复合材料加工的可溶球座,经砂比30%的含砂压裂液在排量4 m³/min条件下冲蚀26 h后,仍然具备密封承压能力,质量仅减少2.1%;在温度90℃、质量分数4%的KCl溶液中浸泡32.5 h后能够完全溶解。现场试验表明,石墨烯增强铝基可溶球座满足多级滑套压裂大排量、高砂比和长时间作业要求,压裂后能在井下液体环境下自行溶解实现井筒全通径。研制的石墨烯增强铝基可溶球座为储层二次改造提供了清洁、安全的井筒条件。     

水平井套管定位球座分段多簇压裂技术

水平井体积压裂是国内外开发致密油气藏的核心技术,目前主流的泵送桥塞多段压裂工艺、水力喷砂多段压裂工艺、裸眼封隔器压裂工艺由于受排量、钻塞、全通径等限制,均不能满足水平井低成本、高效体积压裂的技术需求,而且随着水平段长度增加,这种技术局限性愈加明显。为此,提出了水平井套管球座分段压裂技术。其技术原理是:在套管上预置工作筒固井完井,压裂时泵送专门的射孔投放联作工具到预定位置,将弹性球座投放至套管预置工作筒完成配接,然后上提联作工具进行多簇射孔,最后将可溶球投至弹性球座上,封隔下层,进行光套管分段多簇压裂。研制了套管预置工作筒、弹性球座、可溶球等关键工具,对施工工艺参数进行了优化,并进行矿场试验,实现了在长水平段多簇射孔联作一体化、大排量压裂、压后免钻快速投产、井筒大通径的体积压裂技术目标。现场试验6口井,成功率100%,其中水平段最长1 525 m,试油周期缩短30%以上,作业成本降低10%以上,单井产量提高20%以上,提效降本效果明显,具有较好的推广应用前景。     

水平井裸眼压裂球座模型的建立与分析

水平井裸眼压裂技术是水平井增产的重要技术,球座是水平井压裂关键工具之一。通过建立球座的几何模型,采用Fluent软件,使用离散相模型和磨蚀模型对球座的磨损形态及流道两相流动状态进行数值分析。分析结果表明,在砂粒对球座的冲蚀磨损过程中,球座壁面处砂粒浓度越高,砂粒与壁面的撞击概率也越大,从而导致较为严重的冲蚀磨损;球座锥段处流道流通面积不断缩小,流场速度梯度变化最为强烈,从而导致部分砂粒脱离主流流线冲击球座锥面,产生冲蚀磨损现象。该项研究结果对球座的设计具有指导作用。     

堵塞球分段酸压技术在水平井的应用

堵塞球分段酸压技术在直井中应用较为成熟,当选用密度与酸液相近的堵塞球在水平井分段酸压中实施封堵孔眼时,堵塞球在井内的沉降、附着力和封堵效率计算可以借鉴直井中的相关原理。通过对堵塞球分段酸压工艺原理进行分析,初步形成了投球酸压最小排量控制技术,同时提出了堵塞球分段酸压的施工原则。     

致密油藏多级压裂球座钻磨铣工作机理分析

目前致密油藏多级压裂球座的钻磨铣工艺存在工作效率低、故障率高及使用寿命短等问题。为满足压裂球座高效、低成本钻磨铣施工需求,通过ABAQUS软件建立单磨粒磨削模型,对钻磨铣球座工作机理进行分析,重点分析磨粒前角、磨削深度和磨削速度对磨削力的影响规律。分析结果表明:磨削力随磨粒前角增大而减小,且近似可看作二项式关系,负磨粒前角可以产生更大的磨削力;磨削深度为4 mm时形成断屑,而且磨削深度越大,越易形成断屑,随着磨削深度的加深,断屑点前移,磨铣工具单圈磨削深度在4 mm左右较合适;在单磨粒正常磨削速度范围内,磨削速度对磨削力的影响不大,可以忽略,单纯改变磨铣工具转速对提高磨铣效率意义不大。研究成果对于钻除压裂球座,实现多级压裂井后期的大通径生产作业具有重要意义。     

水平井分段压裂投球滑套承压接触分析

鉴于国内还没有成熟的裸眼完井配套工具,研制了适合苏里格气田的水平井分段压裂投球滑套,并针对投球滑套在压裂施工中到位不明显的问题,利用有限元分析软件ANSYS建立了投球滑套的接触模型,分析了不同压力对低密度球和球座变形与应力分布的影响。分析结果表明,施工压力由10 MPa增至20 MPa时,接触压力近似线性变化,当压力从20 MPa增加到50 MPa时,球和球座之间开始产生塑性变形,接触面积增加,从而使接触压力增加变慢。当压力为50 MPa时,球座最大应力值达到358 MPa,超过了低密度球和球座的屈服强度而发生了塑性变形,但是没有达到材料的屈服极限,满足压裂施工的要求。     

可逐级解封的管内分段压裂管柱设计

分段压裂技术作为低渗透和薄互层油藏有效动用的重要手段之一,在胜利油田的应用规模在逐步扩大。然而该技术中的机械分层压裂工艺在应用中常出现管柱刺断和卡管柱事故。为此,在分析管柱刺断和遇卡原因的基础上,设计了可逐级解封的管内分段压裂管柱。该管柱通过坐封球座统一坐封封隔器,在打开滑套进行压裂的同时采用液压的方式自行启动该层封隔器的解封机构。现场应用结果表明:该管柱在139.7 mm套管内可分9段压裂施工,整体耐压70 MPa,耐温达到150℃,密封压差达到60 MPa,满足现场压裂施工要求,工具和整体管柱的安全性大大提高。所得结论可为低渗透油藏压裂管柱的优化提供参考。     

水力喷射分段压裂裂缝起裂模型研究

优化设计水力喷射分段压裂施工方案时,需要较为准确地预测不同位置的起裂压力。基于Westergaard理论,建立了考虑裂缝诱导应力场的水力喷射分段压裂起裂模型,分析了受第一条裂缝诱导应力影响的后续裂缝起裂压力,并与现场实际压裂数据进行对比;同时,分析了不同裂缝高度、裂缝净压力、原地最小水平主应力和与第一条裂缝的距离对第二条裂缝起裂压力的影响。计算结果显示,模型计算值与压裂试验数据吻合较好。在实际施工参数条件下,裂缝面净压力每增大5 MPa,后续压裂起裂压力增大3 MPa;第一条裂缝高度每增加10 m,后续裂缝起裂压力增加2 MPa,诱导应力场影响范围增加30 m;与第一条裂缝距离越近,后续裂缝起裂压力越高,最大增幅可达21%;原地最小水平主应力增大,诱导应力场的影响范围并不会增大。研究结果对优化设计水力喷射分段压裂施工方案具有一定的指导作用。